Текст книги "Материалы для основных конструктивных элементов зданий"

Прочность. Прочность – способность материала сопротивляться разрушению под влиянием внутренних напряжений, возникающих в результате действия на материал внешних нагрузок или других факторов. В построенном здании почти все конструкции испытывают нагрузки (вес частей здания, вес оборудования, вес мебели и др.), вследствие чего в материалах конструкций возникают напряжения, противодействующие внешним силам.

Основными показателями, характеризующими прочность материала, являются сопротивление сжатию, растяжению, изгибу. Прочность материала при сжатии и растяжении характеризуется его пределом прочности. Предел прочности, или временное сопротивление, – напряжение в материале образца, соответствующее нагрузке, при которой он разрушается.

Предел прочности различных материалов при сжатии и растяжении меняется в широких пределах – от 0,5 до 1000 МПа и более. Для многих материалов предел прочности при сжатии резко отличается от предела прочности при растяжении. Одинаково хорошо сопротивляются сжатию и растяжению такие материалы, как сталь, древесина. Плохо сопротивляются растяжению каменные материалы: природный камень, кирпич, бетон и т.п.

Примером прочности конструкции при изгибе может служить мост, доска через канаву, а также балка, на которую опираются плиты перекрытия, стропила крыши.

Твердость. Твердость – это способность материалов сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела. Твердость не всегда соответствует прочности материала. Существуют несколько способов определения твердости. Например, твердость каменных материалов оценивают шкалой Мооса, состоящей из десяти минералов, расположенных по степени возрастания их твердости. Показатель твердости испытуемого материала находится между показателями твердости двух соседних минералов, из которых один чертит, а другой сам чертится этим материалом.

1 Тальк или мел (легко чертится ногтем).

2 Гипс или каменная соль (чертится ногтем).

3 Кальцит или ангидрит (легко чертится стальным ножом).

4 Плавиковый шпат (чертится стальным ножом под небольшим нажимом).

5 Апатит (сталь) (чертится стальным ножом под большим нажимом).

6 Полевой шпат (слегка царапает стекло, стальным ножом не чертится).

7 Кварц (легко чертит стекло, стальным ножом не чертится).

8 Топаз.

9 Корунд.

10 Алмаз.

Износ. Износ – это разрушение материала при совместном действии истирания и удара. Прочность при износе оценивается потерей в массе, выраженной в процентах. Износу подвергаются материалы дорожных покрытий, полов промышленных предприятий, аэродромов и др.

Сопротивление удару. Сопротивление удару имеет большое значение для материалов, применяемых в дорожных покрытиях и полах. Испытание материалов на удар производят на специальном приборе – копре.

Технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться тому или иному виду обработки. Так, древесина хорошо обрабатывается инструментами. Технологические свойства некоторых полимерных материалов включают способность сверлиться, обтачиваться, свариваться, склеиваться. Глиняные, бетонные и иные смеси обладают пластичностью, вязкостью, которые обеспечивают заполнение определенного объема.

Вязкость. Вязкость – это сопротивление жидкости передвижению одного ее слоя относительно другого. Когда какой-либо слой жидкости приводится в движение, то соседние слои также вовлекаются в движение и оказывают ему сопротивление, величина которого зависит от температуры и вещественного состава. Вязкостные свойства важны при использовании органических вяжущих веществ, природных и синтетических полимеров, красочных составов, масел, клеев. При нагревании вязкость этих материалов снижается, при охлаждении – повышается.

Упругость. Упругость является свойством материала восстанавливать после снятия нагрузки свою первоначальную форму и размеры. Пределом упругости считается напряжение, при котором остаточные деформации впервые достигают некоторой очень малой величины.

Пластичность – способность материала деформироваться без разрыва сплошности под влиянием внешнего механического воздействия и сохранять полученную форму, когда действие внешней силы закончится. Все материалы делятся на пластичные и хрупкие. К пластичным относят сталь, медь, глиняное тесто, нагретый битум и др.

Акустические свойства проявляются при действии звука на материал. Акустические материалы по назначению могут быть звукопоглощающие, звукоизолирующие, вибропоглощающие и виброизолирующие.

Звукопоглощающие материалы. Звукопоглощающие материалы предназначены для поглощения шумового звука. Их акустической характеристикой является величина коэффициента звукопоглощения, равная отношению количества поглощенной материалом звуковой энергии к общему количеству звуковой энергии, падающей на поверхность материала в единицу времени. Как правило, такие материалы имеют большую пористость или шероховатую, рельефную поверхность, поглощающую звук. Строительные материалы, у которых коэффициент звукопоглощения выше 0,2, называют звукопоглощающими.

Звукоизолирующие материалы. Звукоизолирующие материалы применяют для ослабления ударного звука, передающегося через строительные конструкции здания из одного помещения в другое. Звукоизоляционные материалы оценивают по двум показателям: относительной сжимаемости под нагрузкой в процентах и динамическому модулю упругости.

Вибропоглощающие и виброизолирующие материалы предназначены для предотвращения передачи вибрации от машин и механизмов к строительным конструкциям.

Ниже приводятся некоторые свойства строительных материалов.

Химические свойства характеризуют способность материалов реагировать на внешние воздействия, ведущие к изменению химической структуры, а также воздействовать в этом отношении на другие материалы. Основные химические свойства: растворимость и стойкость к коррозии (кислотостойкость, щелочестойкость, газостойкость).

Растворимость. Растворимость – это способность материала растворяться в жидких растворителях: воде, керосине, бензине, масле и других, образовывая новые растворы. Растворимость зависит от химического состава веществ, давления и температуры. Показателем растворимости является произведение растворимости, представляющее собой предельное содержание растворенного вещества в граммах на 100 мл раствора при нормальном давлении и заданной температуре.

Стойкость к коррозии. Стойкость к коррозии является свойством материала сохранять свои качества в условиях агрессивной среды. Такой средой могут быть вода, газы, растворы солей, щелочей, кислот, органические растворители, а также биологические организмы (бактерии, водоросли и т.п.). Древесина, пластмассы, битумы и некоторые другие органические материалы при обычных температурах относительно стойки к действию кислот и щелочей средней и слабой концентрации.

Адгезия. Адгезия представляет собой соединение, сцепление твердых и жидких материалов по поверхности. Это свойство обусловлено межмолекулярным взаимодействием. Адгезионные силы сцепления очень важны при получении строительных материалов, состоящих из многих компонентов, например железобетон.

Кристаллизация. Кристаллизия представляет собой процесс образования кристаллов из паров, растворов, расплавов при электролизе и химических реакциях, который сопровождается выделением тепла.

Долговечность. Долговечность представляет собой способность материала сопротивляться комплексному действию атмосферных и других факторов в условиях эксплуатации. Старение – это процесс постепенного изменения, ухудшения свойств материалов в условиях эксплуатации.

Знание этих и других свойств позволяет сравнивать материалы между собой и определять область их применения с учетом технико-экономической целесообразности. Так, в условиях эксплуатации гидротехнических сооружений строительные материалы, изделия и конструкции, из которых они построены, подвергаются периодическому или постоянному воздействию воды и агрессивных сред, поэтому к ним предъявляются повышенные требования по водостойкости, морозостойкости, водонепроницаемости, корроизонной стойкости и др.

Многие материалы под влиянием водопоглощения ярко проявляют повышенные пластические свойства. Практика строительства показывает, что выбор технически целесообразного материала обосновывают не только его прочностные характеристики, но стойкость к воздействию внешней среды, в которой работает конструкция. Обычно эта стойкость материала во времени (долговечность) неразрывно связана с его химическими и физико-химическими свойствами. Физико-химические в свою очередь тесно связаны со структурой материала и зависят от ее изменения под влиянием внешних и внутренних факторов.

Вследствие проникновения химических реагентов из внешней среды внутренние химические реакции с образованием новых соединений могут значительным образом отразиться на структуре. Изменение структуры (микроструктуры и макроструктуры) в первый период может привести к псевдоупрочнению, а в дальнейшем – к сокращению долговечности материала. Применяемый в строительстве материал обычно подвергают технологической обработке. Cпособность поддаваться такой обработке является порой решающим показателем при выборе материала. Так, при массовой заготовке щебня для бетонных работ учитывается способность горной породы дробиться без образования плоских щебенок, поэтому при выборе материалов всегда учитывают его способность реагировать на отдельные или взятые в совокупности следующие факторы: физические, механические, внешнюю среду, температуру и ее колебания, химические реагенты, технологические операции и т.д. Эта способность материала реагировать на указанные факторы определяется его свойствами.

Оценить технические свойства и сравнить материалы между собой возможно по показателям, которые получают при испытании материалов в полевых, производственных или лабораторных условиях. Полученные знания основных технических свойств строительных материалов и изделий дают возможность рационально их использовать в строительстве. Например, по известным значениям истинной и средней плотности строительных материалов можно рассчитать, какой плотностью (или пористостью) обладают эти материалы, и составить достаточно полное представление о прочности, теплопроводности, водопоглощении и других важных характеристиках строительных материалов, чтобы в дальнейшем на этом основании решать вопрос об их применении в тех или иных сооружениях и конструкциях.

Для расчета нагрузок при определении массы сооружений для транспортных расчетов и выбора емкости складских помещений необходимо знать величину средней плотности строительных материалов. Без данных о прочности применяемых материалов невозможны расчеты прочности и устойчивости сооружений и конструкций. Прогноз их долговечности невозможен без знания таких свойств материала, как отношение к влаге, воздействию окружающей среды, смене температур и др.

Свойства материалов не остаются постоянными, а изменяются во времени в результате механических, физико-химических и биохимических воздействий среды, в которой эксплуатируется строительная конструкция или изделие. Эти изменения могут протекать и медленно (разрушение горных пород), и быстро (вымывание из бетона растворимых веществ). Следовательно, каждый материал должен обладать не только свойствами, позволяющими применять его по назначению, но и определенной стойкостью, обеспечивающей долговечную эксплуатацию изделия или конструкции.

Знание основных свойств строительных материалов необходимо также для выполнения расчетов, позволяющих оценить их качество, соответствие техническим требованиям, возможность применения в конкретных условиях эксплуатации.

Употребляемые в строительстве материалы должны удовлетворять определенным требованиям, которые устанавливаются государственными стандартами (ГОСТами). В строительстве соответствие поступающих материалов требованиям ГОСТа проверяют специальные лаборатории.

Любой вид продукции обладает определенными свойствами, представляющими интерес для потребителей. Для строительных материалов важны такие качества, как прочность, плотность, теплопроводность, морозостойкость, стойкость по отношению к действию воды, агрессивных сред и др. Качеством называется сумма свойств, определяющих пригодность материала и изделия для использования по назначению. Так, для кровельных материалов оценка их качества производится по сумме таких свойств, как водостойкость, водонепроницаемость, термостойкость, прочность на изгиб, атмосферостойкость и др.

Контроль качества строительных материалов и изделий проводят по разработанным нормам, требованиям и правилам. В зависимости от контролируемого производственного этапа различают контроль входной, технологический и приемочный.

Входной контроль включает проверку соответствия поступающих материалов и изделий установленным требованиям. Например, на предприятиях сборного железобетона проверяют качество поступающих исходных материалов: заполнителей и цемента для бетона, арматурной стали, закладных деталей, отделочных и других материалов.

Технологический контроль состоит в проверке соответствия установленным требованиям температуры, давления, времени выдерживания, тщательности перемешивания и других показателей технологического процесса.

Приемочный контроль заключается в проверке соответствия готовых изделий требованиям стандартов или технических условий.

Все материалы и изделия выпускают по государственным и межгосударственным стандартам – ГОСТ, СТ СЭВ, ИСО, СТБ, СНБ. Деятельность стандартизации существует для повышения качества продукции, безопасности ее получения и безопасности. Методы испытаний также стандартизированы. Кроме этого, в строительстве существуют «Строительные нормы» и «Технические нормативные правовые акты», представляющие собой объединенные нормативные документы по проектированию, строительству и строительным материалам.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ОСНОВНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЗДАНИЙ

В практике строительства различают понятия «здание» и «сооружение».

Строительная система, состоящая из несущих и ограждающих или совмещенных конструкций, образующих наземный замкнутый объем, предназначенный для пребывания или проживания людей и для выполнения разных производственных процессов, называется зданием. В зданиях с различными помещениями люди живут, работают, учатся, отдыхают.

Строительная система, состоящая из несущих и иногда из ограждающих конструкций, предназначенная для выполнения разных производственных процессов, а также хранения материалов, изделий, оборудования, перемещения грузов, называется сооружением. Сооружения представляют собой мосты, плотины, доменные печи и т.п. Сооружение является понятием более широким, чем здание, оно часто применяется как обобщающий термин.

Здания в зависимости от назначения подразделяются на жилые, общественные (административные, учебные, детские учреждения, торговые и др.) и производственные.

К жилым зданиям относятся квартирные дома для постоянного проживания людей и общежития для проживания в течение срока работы или учебы.

Общественные здания предназначены для размещения административных учреждений и общественных организаций (учебные, детские, торговые и др.).

Производственные здания служат для размещения промышленных и сельскохозяйственных производств и обеспечения необходимых условий для труда людей и эксплуатации технологического оборудования. К промышленным относятся здания заводов, фабрик, предприятий, предприятий транспорта, энергетики и др. К сельскохозяйственным – здания для содержания скота, птицы, зернохранилища, овощехранилища, фермы, теплицы и др.

В зависимости от того, из какого материала строятся здания, они подразделяются на каменные, деревянные, панельные и др. По виду и размеру строительных изделий и по способу производства работ различают здания из мелких штучных элементов (кирпича, мелких блоков, тесаного камня, сборные (из крупноразмерных элементов – панелей или крупных блоков и здания из монолитного бетона).

Строительство зданий из крупных сборных элементов, изготовленных в заводских условиях, значительно сокращает сроки возведения домов, снижает стоимость и трудоемкость.

В настоящее время многие здания собираются из объемных блоков, которые постуют с предприятий размером на комнату или на квартиру.

По этажности здания подразделяются на малоэтажные (до 3 этажей), многоэтажные (4 – 9 этажей), повышенной этажности (от 10 до 20 этажей) и высотные.

Конструктивные схемы зданий могут быть различными: с несущими стенами, с каркасами, смешанными.

Наиболее распространены в промышленном строительстве здания с полным каркасом. Каркасы бывают железобетонные, железобетонные сборные и стальные. Они состоят из стоек, ригелей (балок) или ферм и связей.

Колонны делают высотой в 1 – 2 этажа, стыки элементов сваривают с помощью закладных деталей.

Ограждающие элементы (стены) выполняют из различных материалов, делают их самонесущими или ненесущими (навешенными с наружной стороны каркаса).

К зданиям определяются следующие определенные требования: создавать наилучшие условия эксплуатации их, быть прочными, удобными, долговечными, безопасными в пожарном отношении, удовлетворять санитарно-гигиеническим, экономическим и архитектурным требованиям.

По степени возгораемости все строительные конструкции подразделяются на несколько групп:

– несгораемыми называются конструкции, выполненные из несгораемых материалов (кирпича, камня);

– трудносгораемыми называются конструкции, выполненные из трудносгораемых материалов (фибролит, деревянная стена, защищенная штукатуркой с обеих сторон, и др.);

– к сгораемым относят конструкции, выполненные из сгораемых материалов и не защищенных от огня.

Всякое здание состоит из следующих отдельных взаимосвязанных частей или элементов, имеющих определенное назначение:

– фундаменты;

– стены;

– колонны;

– перекрытия;

– крыши;

– лестницы;

– перегородки;

– окна;

– двери;

– балконы.

Фундаменты представляют собой подземные несущие конструкции, предназначенные для передачи и распределения нагрузки от здания на грунт.

Верхняя плоскость фундамента, на которую опираются стены, колонны, лестничные клетки и другие элементы, называется обрезом. Плоскость, которой фундамент опирается на грунт, называется подошвой фундамента. Расстояние от подошвы до обреза фундамента называется глубиной заложения фундамента. Иногда стены фундамента образуют подвал здания.

К фундаментам предъявляют следующие требования:

– прочность;

– устойчивость;

– сопротивление влиянию воды и мороза;

– водостойкость;

– коррозионностойкость;

– долговечность;

– экономичность.

По конструкции фундаменты могут быть:

– ленточные (располагаются по периметру здания под несущими стенами; изготавливаются из сборного и монолитного железобетона, полнотелого кирпича, бутового или пиленого камня из плотных горных пород);

– сплошные (в виде железобетонной плиты под все здание; изготавливаются из полнотелого кирпича, бутового камня и пиленого камня);

– свайные (состоящие из отдельный бетонных, железобетонных, деревянных, металлических, комбинированных, сборных или монолитных свай, объединенных вверху бетонной плитой – ростверком, под здания повышенной этажности при слабом грунте. Форма свай может быть цилиндрической, конической, пирамидальной, призматической; готовые сборные сваи погружают в скважину вертикально или наклонно методом забивки, вибрирования или завинчивания). Существуют несколько разновидностей свай: свая-колонна, свая-столб и свая-оболочка. В свае-колонне наземная часть сваи служит колонной здания, а ту часть, что забивают в грунт, служит сваей. Свая-столб представляет собой сплошную сваю, изготовленную из железобетона. Ее погружают в пробуренную скважину и затем цементно-песчаным раствором заполняют зазор. Свая-оболочка представляет собой круглую сваю, выполненную из железобетона с полостью, заполненной грунтом или бетоном.

В многоэтажных зданиях отдельно стоящие фундаменты располагаются под столбами или колоннами. Материалом для их изготовления может служить сборный железобетон, монолитный бетон, плотный природный камень, кирпич. Для повышения трещинностойкости и прочности бетона к ударным нагрузкам при выполнении забивных свай применяют сложное комбинированное армирование, которое предусматривает введение в бетонную смесь тонковолокнистых дисперсных металлических фибр и стержневой арматуры. При изготовлении фундаментов из железобетона используют тяжелый бетон на плотных заполнителях. Вяжущими материалами являются портландцементы или гидравлические вяжущие вещества.

В зависимости от степени агрессивности, определялемой химическим составом и концентрацией растворенных соединений, для обеспечения заданной нормативной долговечности фундамента используют первичную или вторичную защиту. Способы первичной защиты направлены на повышение стойкости самого материала за счет увеличения его плотности, введения специальных добавок и использования специальных коррозионностойких компонентов. Вторичная защита более трудоемкая и дорогостоящая. Ее применяют только при неэффективности первичной. Для ее выполнения используют антикоррозионные, лакокрасочные, мастичные, рулонные и другие материалы.